【技術分野】

【0001】

【背景技術】

【0002】

【0003】

【0004】

【0005】

【0006】

【先行技術文献】

【発明の概要】

しかしながら、前記従来のような構成では、冷媒を冷却する放熱器と、潤滑油を冷却する油冷却器とを気流れに対して並列に設け、室外吸込空気により、冷媒の放熱および潤滑油の放熱を同時に促進する構成のため、多量の室外吸込空気が必要であり、機器が大型化してしまうという課題を有していた。 本発明は、前記課題を解決するもので、効率良く吐出温度や潤滑油の温度の過昇を抑制できる冷凍サイクル装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために本発明の冷凍サイクル装置は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離器、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が、配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間から分岐され、前記分岐された冷媒が第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、前記油分離器内の潤滑油を前記圧縮機構に戻す返油回路と、前記返油回路に設けられ、前記油分離器において分離された潤滑油を前記利用側熱媒体により冷却する油冷却器と、を備え、前記利用側熱交換器と前記油冷却器とが直列に接続されていることを特徴とするものである。 これにより、利用側熱交換器と油冷却器とが並列接続時の場合に対して、直列接続時の場合の方が、油冷却器を流れる利用側熱媒体の流量が多くなる。 このため、利用側熱媒体の流速が向上し、油冷却器の利用側熱媒体の熱伝達率が高く維持される。 そして、油冷却器の熱交換効率が向上することで、潤滑油の冷却量が増加し、その冷却された潤滑油はバイパス冷媒回路の中間圧冷媒と合流して圧縮機構に戻るため、吐出温度を低下させることができ、圧縮機の信頼性の低下を防止できる。

本発明によれば、効率良く吐出温度や潤滑油の温度の過昇を抑制できる冷凍サイクル装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の実施の形態１における流体加熱装置の構成図

【図2】本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の運転状態を示すモリエール線図（Ｐ−ｈ線図）

【図3】従来の冷凍サイクル装置の構成図

【発明を実施するための形態】

第１の発明は、圧縮回転要素から構成される圧縮機構、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離器、前記圧縮回転要素から吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する利用側熱交換器、中間熱交換器、第１膨張装置、熱源側熱交換器が、配管で順次接続されて形成される主冷媒回路と、前記利用側熱交換器から前記第１膨張装置までの間から分岐され、前記分岐された冷媒が第２膨張装置により減圧された後に、前記中間熱交換器で前記主冷媒回路を流れる冷媒と熱交換され、前記圧縮回転要素の圧縮途中の冷媒に合流されるバイパス冷媒回路と、前記油分離器内の潤滑油を前記圧縮機構に戻す返油回路と、前記返油回路に設けられ、前記油分離器において分離された潤滑油を前記利用側熱媒体により冷却する油冷却器と、を備え、前記利用側熱交換器と前記油冷却器とが直列に接続されていることを特徴とする冷凍サイクル装置である。

これにより、利用側熱交換器と油冷却器とが並列接続時の場合に対して、直列接続時の場合の方が、油冷却器を流れる利用側熱媒体の流量が多くなる。

このため、利用側熱媒体の流速が向上し、油冷却器の利用側熱媒体の熱伝達率が高く維持される。

すなわち、油冷却器の熱交換効率が向上することで、潤滑油の冷却量が増加し、その冷却された潤滑油はバイパス冷媒回路の中間圧冷媒と合流して圧縮機構に戻るため、吐出温度を低下させることができ、圧縮機の信頼性の低下を防止できる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記利用側熱交換器と前記油冷却器とは、前記利用側熱媒体が、前記油冷却器を通過後に前記利用側熱交換器に流入するように直列に接続されていることを特徴とするものである。

これにより、温度の低い利用側熱媒体が、先に油冷却器を流入して高温の潤滑油と熱交換するので、油冷却器において利用側熱媒体と潤滑油との温度差が大きく取れる。

したがって、低温の利用側熱媒体が、先に利用側熱交換器に流入する場合と比較して、油冷却器での熱交換量が多くなり、温度の低い潤滑油を圧縮機に戻すことができる。

すなわち、吐出温度をさらに低下させることができ、圧縮機の信頼性低下を防止できる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、前記潤滑油が前記油冷却器を流れる流路の断面積をＡ１、前記冷媒が前記利用側熱交換器を流れる流路の断面積をＡ２、とした場合、Ａ１＜Ａ２の関係が成り立つことを特徴とするものである。

これにより、油冷却器において、熱伝達率が冷媒より低い潤滑油の流速が向上し、潤滑油の熱伝達率が高く維持される。

潤滑油が油冷却器を流れる流路の断面積Ａ１が、冷媒が利用側熱交換器を流れる流路の断面積Ａ２面積と同等以上の場合と比較して、油冷却器での潤滑油の冷却量がさらに増加し、吐出温度をより一層低下させることができ、圧縮機の信頼性低下を防止できる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれかの発明において、前記冷媒を二酸化炭素としたことを特徴とするものである。

これにより、利用側熱交換器において、冷媒で利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化が可能となる。

第５の発明は、第１〜第４のいずれかの冷凍サイクル装置と、搬送装置によって前記利用側熱媒体を循環させる利用側熱媒体回路とを備えたことを特徴とする流体加熱装置である。

これにより、冷凍サイクル装置のＣＯＰを低下させることなく、高温の利用側熱媒体を利用することができる。

第６の発明は、特に、第５の発明において、前記利用側熱媒体を、水又は不凍液としたことを特徴とするものである。

これによれば、暖房機器に用い、又は、貯湯タンクに高温水を貯えることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１による流体加熱装置の構成図である。流体加熱装置は、冷凍サイクル装置と利用側熱媒体回路３０とから構成されている。

また、冷凍サイクル装置は、主冷媒回路１０と、バイパス冷媒回路２０と、返油回路４０とから構成されている。

主冷媒回路１０は、冷媒を圧縮する圧縮機構１１、圧縮機構１１から吐出された冷媒と潤滑油とを分離する油分離器１７と、放熱器である利用側熱交換器１２、中間熱交換器１３、第１膨張装置１４、蒸発器である熱源側熱交換器１５が、配管１６で順次接続されて形成され、冷媒として二酸化炭素（ＣＯ_２）を用いている。

なお、冷媒としては、二酸化炭素を用いるのが最適だが、例えば、Ｒ４０７Ｃ等の非共沸混合冷媒、Ｒ４１０Ａ等の擬似共沸混合冷媒、または、Ｒ３２等の単一冷媒を用いることもできる。

圧縮機構１１は、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとで構成される。利用側熱交換器１２は、高段側圧縮回転要素１１ｂから吐出された冷媒により利用側熱媒体を加熱する。

なお、圧縮機構１１を構成する低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの容積比は一定で、駆動軸（図示せず）を共通化させ、１つの容器内に配置した１台の圧縮機で構成されている。

なお、本実施の形態では、圧縮回転要素が、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとで構成される二段の圧縮機構１１を用いて説明するが、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとに分かれてなく、単一の圧縮回転要素においても適用できる。

ここで、単一の圧縮回転要素の場合には、バイパス冷媒回路２０からの冷媒が合流する位置を圧縮回転要素の圧縮途中とし、バイパス冷媒回路２０からの冷媒が合流する位置までの圧縮回転要素を低段側圧縮回転要素１１ａとし、バイパス冷媒回路２０からの冷媒が合流する位置以降の圧縮回転要素を高段側圧縮回転要素１１ｂとして適用することができる。

また、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとが、それぞれが独立した２台の圧縮機から構成されている二段の圧縮機構１１でもよい。

バイパス冷媒回路２０は、利用側熱交換器１２から第１膨張装置１４までの間の配管１６から分岐され、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間の配管１６に接続されている。

バイパス冷媒回路２０には、第２膨張装置２１が設けられている。利用側熱交換器１２を通過後の一部の高圧冷媒、又は、中間熱交換器１３を通過後の一部の高圧冷媒は、第２膨張装置２１により減圧されて中間圧冷媒となった後に、中間熱交換器１３で主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒と熱交換され、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間の冷媒と合流される。

返油回路４０は、油分離器１７内の潤滑油を、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間に戻す回路であり、返油回路４０には油冷却器１８が設けられている。

油冷却器１８は、油分離器１７において分離された高圧潤滑油を、利用側熱媒体により冷却する。

放熱された高圧潤滑油が減圧手段１９で中間圧まで減圧され、中間圧潤滑油となった後に、バイパス冷媒回路２０を流れる中間圧冷媒と合流し、高段側圧縮回転要素１１ｂに吸入される。

利用側熱媒体回路３０は、油冷却器１８、利用側熱交換器１２、搬送ポンプである搬送装置３１、暖房端末３２ａが熱媒体配管３３で順次接続されて形成され、利用側熱媒体として、水又は不凍液を用いている。

本実施の形態における利用側熱媒体回路３０は、暖房端末３２ａと並列に貯湯タンク３２ｂを備えており、第１切替弁３４、第２切替弁３５の切り替えによって利用側熱媒体を、暖房端末３２ａ又は貯湯タンク３２ｂに循環させる。

なお、利用側熱媒体回路３０は、暖房端末３２ａ及び貯湯タンク３２ｂのいずれかを備えていればよい。

油冷却器１８と、利用側熱交換器１２で生成された高温水は、暖房端末３２ａで放熱して暖房に利用され、暖房端末３２ａで放熱された低温水は再び油冷却器１８と、利用側熱交換器１２で加熱される。

また、油冷却器１８と、利用側熱交換器１２で生成された高温水は、貯湯タンク３２ｂの上部から貯湯タンク３２ｂに導入され、貯湯タンク３２ｂの下部から低温水が導出されて利用側熱交換器１２で加熱される。

主冷媒回路１０には、高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出側の配管１６に、高圧側圧力検出装置５１が設けられている。

なお、高圧側圧力検出装置５１は、高段側圧縮回転要素１１ｂの吐出側から、第１膨張装置１４の上流側までの、主冷媒回路１０に設けられていて、主冷媒回路１０の高圧冷媒の圧力を検出できればよい。バイパス冷媒回路２０には、第２膨張装置２１の下流側に、中間圧側圧力検出装置５２が設けられている。

利用側熱媒体回路３０には、油冷却器１８に流入する利用側熱媒体の温度を検出する油冷却器入水温度サーミスタ５３と、油冷却器１８を流出する利用側熱媒体の温度を検出する油冷却器出湯温度サーミスタ５４と、利用側熱交換器１２から流出する利用側熱媒体の温度を検出する放熱器出湯温度サーミスタ５５と、が設けられている。

制御装置６０は、高圧側圧力検出装置５１、中間圧側圧力検出装置５２からの検出圧力、油冷却器入水温度サーミスタ５３、油冷却器出湯温度サーミスタ５４及び放熱器出湯温度サーミスタ５５からの検出温度によって、低段側圧縮回転要素１１ａ及び高段側圧縮回転要素１１ｂの運転周波数、第１膨張装置１４と第２膨張装置２１の弁開度、搬送装置３１の運転回転数を制御する。

主冷媒回路１０とバイパス冷媒回路２０を流れる冷媒の循環量は、圧縮機構１１の運転周波数と、第１膨張装置１４、第２膨張装置２１の減圧量により調整することができる。

冷凍サイクル装置は、外気温度、暖房負荷、入水温度などの条件に応じて、主流側とインジェクション側の冷媒循環量を調整することで、負荷を満足しつつ、効率の良い運転を行うことができる。

図２は、本発明の実施の形態１における冷凍サイクル装置の低外気温度時、例えば、−２０℃、入水温度４７℃の条件での圧力―エンタルピー線図（Ｐ−ｈ線図）である。

図２のａ〜ｅ点、およびＡ〜Ｂ点は、図１に示す流体加熱装置における各ポイントに相当する。

以下、図２に基づいて、本発明の実施の形態１における流体加熱装置の加熱運転動作について説明する。

まず、高段側圧縮回転要素１１ｂから吐出される高圧冷媒（ａ点）は、油分離器１７を通過し、高圧潤滑油と分離される。

分離された高圧冷媒は、利用側熱交換器１２で放熱した後に、冷媒分岐点Ａで主冷媒回路１０から分岐し、第２膨張装置２１により中間圧まで減圧されて中間圧冷媒（ｅ点）となり、中間熱交換器１３にて熱交換する。

利用側熱交換器１２で放熱した後の主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒は、バイパス冷媒回路２０を流れる中間圧冷媒（ｅ点）によって冷却され、エンタルピーが低減された状態（ｂ点）で第１膨張装置１４にて減圧される。

これにより、第１膨張装置１４にて減圧された後に、熱源側熱交換器１５に流入する冷媒（ｃ点）の冷媒エンタルピーも低減される。

熱源側熱交換器１５に流入する時点での冷媒乾き度（全冷媒に対して気相成分が占める重量比率）が低下して冷媒の液成分が増大するため、熱源側熱交換器１５において蒸発に寄与し、冷媒比率が増大して外気からの吸熱量が増大され、低段側圧縮回転要素１１ａの吸入側（ｄ点）に戻る。

一方、油分離器１７で分離された高圧潤滑油は、油冷却器１８で放熱した後に、減圧手段１９により中間圧まで減圧されて中間圧潤滑油となる。

また、熱源側熱交換器１５において蒸発に寄与しない気相成分に相当する量の冷媒は、バイパス冷媒回路２０にバイパスされて低温の中間圧冷媒（ｅ点）となる。

そして、中間熱交換器１３にて主冷媒回路１０を流れる高圧冷媒によって加熱されて冷媒エンタルピーが高まった状態で、中間圧潤滑油と混合し、低段側圧縮回転要素１１ａと高段側圧縮回転要素１１ｂとの間にある冷媒合流点Ｂに至る。

従って、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入側（Ｂ点）では、低段側圧縮回転要素１１ａの吸入側（ｄ点）より冷媒圧力が高いため冷媒密度も高く、かつ、冷却された中間圧潤滑油と、中間圧冷媒と、低段側圧縮回転要素１１ａから吐出した冷媒と合流した冷媒が吸入され、高段側圧縮回転要素１１ｂで更に圧縮されて吐出されるため、利用側熱交換器１２に流入する冷媒流量が大幅に増大し、利用側熱媒体である水を加熱する能力が大幅に増大する。

加えて、高段側圧縮回転要素１１ｂから吐出された高温潤滑油を油分離器１７で分離し、高圧潤滑油の熱、また潤滑油内溶け込んだ冷媒の熱が低温の水に放熱するので、冷凍サイクル装置の高能力化が実現できる。

ただし、低外気温度運転の時、圧縮機構１１から吐出される冷媒吐出温度が、所定上限温度付近まで高くなる。

よって、吐出された潤滑油の温度も非常に高い。水を使って冷却する場合、潤滑油の熱伝達率が冷媒より小さいので、油冷却器１８での熱交換量を確保することが困難である。

潤滑油の冷却が不十分で高温のままで合流点Ｂに戻って混合すると、高段側圧縮回転要素１１ｂの吸入側の冷媒温度が上昇し、高段側圧縮回転要素１１ｂで更に圧縮されて吐出される冷媒吐出温度が所定上限温度を超えてしまう可能性がある。

ここで、本実施の形態によれば、図１に示すように、利用側熱媒体である水は、油冷却器１８と利用側熱交換器１２に直列に流入して、油冷却器１８、利用側熱交換器１２の順に加熱される。

これにより、利用側熱媒体回路３０を流れる利用側熱媒体である水は、油冷却器１８と利用側熱交換器１２とが並列接続の場合のように分流されることなく、利用側熱媒体である水は、油冷却器１８、利用側熱交換器１２の順に直列に流入するため、油冷却器１８を流れる水流量が並列接続時より多くなる。

そのため、油冷却器１８の水側の水量および流速が向上し、熱伝達率が高く維持され、油冷却器１８の熱交換効率が向上することで潤滑油の冷却量が増加する。

そして、冷却された潤滑油は、バイパス冷媒回路の中間圧冷媒と合流して、圧縮機構１１に戻り、吐出温度を低下させることができる。

詳しくは、利用側熱交換器１２と油冷却器１８とは、利用側熱媒体である水が、油冷却器を通過後に利用側熱交換器１２に流入するように直列に接続されている。

すなわち、利用側熱媒体である水は、油冷却器１８、利用側熱交換器１２の順に流入して加熱されるため、熱交換される前の低温水が、先に油冷却器１８を流入して、高温潤滑油と熱交換するので、油冷却器１８において、水と潤滑油との温度差が大きく取れる。

これにより、低温水が先に利用側熱交換器１２を流入する場合と比較し、油冷却器１８での熱交換量が多くなる。

そのため、より冷却された潤滑油を、圧縮機構１１に戻すことによって、吐出温度をさらに低下させることができる。

さらに、潤滑油が油冷却器１８を流れる流路の断面積をＡ１、冷媒が利用側熱交換器１２を流れる流路の断面積をＡ２、とした場合、Ａ２よりもＡ１を小さくすることで、油冷却器１８において、熱伝達率が冷媒より低い潤滑油の流速が向上し、潤滑油の熱伝達率が高く維持される。

これにより、油冷却器１８において、熱伝達率が冷媒より低い潤滑油の流速が向上し、潤滑油の熱伝達率が高く維持される。

潤滑油が油冷却器１８を流れる流路の断面積Ａ１が、冷媒が利用側熱交換器１２を流れる流路の断面積Ａ２面積と同等以上の場合と比較して、油冷却器１８での潤滑油の冷却量がさらに増加し、吐出温度をより一層低下させることができ、圧縮機の信頼性低下を防止できる。

なお、本実施の形態による冷凍サイクル装置では、冷媒を二酸化炭素とすることが好ましい。これは、利用側熱交換器１２において、冷媒である二酸化炭素で、利用側熱媒体を加熱したときの、利用側熱媒体の高温化が可能となるためである。

また、利用側熱媒体を水又は不凍液とすることで、暖房端末３２ａに用い、又は貯湯タンク３２ｂに高温水を貯えることができる。

【産業上の利用可能性】

【0088】

【符号の説明】

【0089】

【図1】

【図2】

【図3】